一种基于单组分构筑的纳米探针:活体比率型光声成像新策略

氧化还原平衡对于维持体内各项生理活动的正常运行至关重要。谷胱甘肽作为一种体内广泛存在的还原性物质,在调节体内氧化还原平衡过程中发挥了重要作用。因此,对谷胱甘肽进行精准的体内成像和传感对于我们了解相关的生理或病理活动以及开发新型的治疗手段具有重要意义。目前医学上常用的成像手段有荧光成像、磁共振成像和CT成像等,虽然它们都有各自的优势,但缺点仍不可忽视。如,荧光成像虽然灵敏度较高,但空间分辨率和成像深度较低,加上光的散射,因而不能很好地提供病灶部位的准确信息。

相比于传统的成像模式,新近发展起来的光声成像技术有效克服了以上问题。光声成像的原理是基于光学激发和声学检测,因而具有很强的组织穿透能力,实现真正意义上的深层组织高分辨率成像。虽然目前已有一些激活型光声探针在成像和传感中的应用,但其检测的靶标分子局限于一些氧化性物质,如次氯酸和过氧亚硝酸根等,而针对于还原性分子如谷胱甘肽,相应的激活型探针还很少报道。这主要是因为对于还原性刺激而产生近红外吸收改变的探针在结构的设计上具有很大挑战。

近期,南京邮电大学的范曲立教授研究团队首次设计了一种基于花菁结构的单组分纳米探针并成功应用于活体肿瘤内谷胱甘肽的比率型光声成像。该探针结构中的双硫键(S-S)首先被肿瘤部位高度表达的谷胱甘肽切断而生成巯基(-SH),随后,-SH进一步和结构中邻近的仲胺发生交换,生成和原探针光学性质迥异的产物,在近红外光区表现出比率型的光学响应性。同时,该探针可以有效区分其他硫醇,对谷胱甘肽表现出高度的特异选择性。此外,和传统的通过纳米共沉淀法制备的多组分纳米探针相比,该探针的单组分结构设计能够有效克服光学分子的泄露问题,提高了纳米结构的稳定性,为实现活体内精准成像提供了保证。裸鼠实验表明,尾静脉注射纳米探针后,肿瘤及其周边血管可以很清晰的呈现出来。随着给药时间的推移,680纳米处的光声信号缓慢增加,在1.5小时达到峰值;相比之下,820纳米处的光声信号随着时间显著增加,且于4小时达到最大。经计算,比率型光声信号(ΔPA820/ΔPA680)同样表现出了随时间递增的趋势,且在4小时达到最高值,为0.5小时的2.94倍。该结果证明纳米探针在肿瘤部位被成功激活,表现出了良好的比率型成像效果。

基于谷胱甘肽在肿瘤环境中的高浓度表达及其对双硫键的高效响应性,该工作的设计思路可以进一步扩展到制备诊疗一体化的纳米平台用于光声成像实时监控并指导的药物释放和治疗。

相关工作发表在Small上(DOI: 10.1002/smll.201703400),第一作者为南京邮电大学信息材料与纳米技术研究院的博士生尹超和唐玉富。

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